水中悬浮隧道研究现状

水中悬浮隧道是在水中穿越江河湖海的新型构筑物,具有其他水下隧道不可比拟的优势.介绍了悬浮隧道的研究历史、在结构分析方面的研究概况以及需要研究的重大课题.     

考虑多场耦合的碰撞载荷下水中悬浮隧道动力响应

水中悬浮隧道通过系泊系统使其悬浮在水下一定深度处,与潜器的碰撞可能会使隧道结构产生较大运动响应,呈现大幅度的非线性位移,会使隧道失去原有的稳定性甚至对隧道安全性产生较大的影响。因此,本文开展考虑多场耦合场景下碰撞载荷作用下,水中悬浮隧道的运动响应研究。通过与文献中试验结果的对比分析,验证数值模型的有效性。建立水中悬浮隧道及其系泊系统的三维运动模型,同时通过Abaqus建立水中悬浮隧道的碰撞场景与STAR-CCM+进行双向耦合联合仿真,开展水中悬浮隧道被潜器撞击后的运动响应研究,并分析不同碰撞场景下水中悬浮隧道的运动响应变化规律。     

波流作用下悬浮隧道局部锚索的破断动力响应

为研究波流作用下悬浮隧道局部锚索的破断动力响应,运用ANSYS/AQWA软件建立悬浮隧道及其锚泊系统的有限元模型.通过单元生死功能和时控法模拟锚索破断行为,对比分析不同波流条件对悬浮隧道局部锚索破断动力响应的影响.研究结果表明:锚索破断之后,会对剩余锚索产生冲击效应,缆力瞬态增量随着与破断位置距离的增加而逐步递减;规则波、均匀流和锚索破断作用引起的悬浮隧道动力响应具有不同的特征,规则波主要引起结构产生周期运动,均匀流主要引起结构产生大幅偏移和低频运动,锚索破断主要引起结构产生冲击效应和高频振动;锚索破断之后,剩余结构的阻尼增大、刚度降低,导致锚索破断前后的结构运动行为出现明显的不同.     

深水环境下双层圆柱壳结构受撞数值仿真

水下运载器一旦受到物体撞击造成破舱进水,后果不堪设想.为了提高水下运载器的结构安全性,选取其典型耐压结构形式--双层圆柱壳结构为研究对象,采用MSC.Dytran非线性瞬态动力学分析程序,分3种撞击环境:流固耦合与深水静压联合作用、单深水静压作用以及单流固耦合作用,对双层圆柱壳结构受物体撞击的损伤过程进行数值仿真.通过对计算结果的对比分析,研究了深水压力及流固耦合作用对受撞结构的损伤变形、撞击过程中的能量转换和撞击力的影响.本文的研究成果,可为水下运载器的碰撞研究及抗撞结构设计提供借鉴.     

海流作用下悬浮隧道缆索的运动响应

考虑参数激励频率,利用涡激振动方程,应用伽辽金和龙格库塔数值积分法,计算出不同流速下参数激励对缆索1阶振动的影响;进一步计算隧道—缆索耦合作用下缆索的振动响应。计算结果表明参数激励为缆索固有频率2倍时,缆索响应最大;隧道对缆索振动有明显的抑制作用。     

洋流作用下悬浮隧道动力学行为试验研究

本研究根据相似准则和试验条件设计试验模型。在试验模拟的1节悬浮隧道管段上分别布置2组和3组锚索支撑,测试在不同流速条件下,悬浮隧道管体结构的环向应变、轴向应变及张力腿锚索的轴力。根据试验结果,初步分析悬浮隧道应力的空间分布特征和张力腿的轴力情况;给出在相同环境条件下,张力腿锚索数量对结构应力的影响、洋流速度对悬浮隧道管段结构变形和张力腿轴力的影响关系等。     

中国南海波浪作用下悬浮隧道运动响应研究

通过采用光滑粒子法求解弱可压流体运动方程,建立波浪-悬浮隧道-系泊系统全耦合时域分析模型,研究波浪对悬浮隧道耦合作用下的动力响应。基于中国南海实测海洋环境数据,对波浪作用下悬浮隧道的整体受力、运动响应及系泊受力进行研究。结果表明：受雷诺数影响,隧道受到的波浪力与波浪强度呈非线性关系;系泊缆与海床夹角越小,隧道的纵摇幅值越小;当角度为45°时,隧道运动性能及系泊缆受力能够达到较好的平衡状态。研究结果能为悬浮隧道选型及系泊系统设计提供参考。     

正向规则波作用下悬浮隧道时域全局动力分析

应用Morison方程和有限元法,将悬浮隧道管体假定为与岸坡固定的Euler-Bernoulli梁结构,通过将锚索与悬浮隧道管体、海底平面铰接,实现了锚索、悬浮隧道管体以及岸坡三者之间的动力学耦合,将线性波浪理论应用于Morison方程计算波浪荷载,在时域内采用Newmark-β隐式时间积分法迭代求解悬浮隧道的运动控制方程,进而构建了水下悬浮隧道的三维动力学耦合数值模型。研究结果表明：在长周期波主导的海域,适当增大水平方向的系泊刚度,将有利于控制悬浮隧道整体的位移幅值;隧道近岸处的锚索由于边界条件的影响,在波浪条件下将承受更大的张力,工程中应适当增加或加粗近岸端部锚索,排除安全隐患;悬浮隧道的锚索布置间距宜固定在250～300 m的范围内。     

潜艇典型结构受多物体撞击数值仿真的试验验证

以双壳体潜艇的典型结构—双层环肋圆柱壳受多物体撞击为研究对象,开展了模型试验,并与仿真计算结果进行对比,验证了有限元数值仿真方法对求解该类问题的有效性。还从结构损伤变形、撞击力历程和能量转换等方面对多物体撞击壳体过程的动响应特性进行了分析。研究成果将为潜艇抗撞能力的评估及抗撞结构的设计提供参考。     

悬浮隧道不同线形波浪作用受力研究

悬浮隧道所受波浪作用与其设计线形相关,而关于两者间联系研究极少.通过工程简化模型、编程和分析,系统地揭露了悬浮隧道管体长度、隧道长度与波浪方向夹角、纵向坡度、平面曲线和其受到波浪力的内在规律.这些规律对悬浮隧道线形设计具有一定指导意义,海上工程设计规范中的拟静力计算方法需进一步发展来适应悬浮隧道设计问题.     

新型桁架箱体浮筏结构重量优化研究

结合桁架结构的优点,将桁架结构应用于传统浮筏形成一种新型桁架箱体浮筏结构,并对其重量进行优化。首先在有限元软件Abaqus中建立了桁架箱体浮筏模型,然后基于模态分析,重力场分析和抗冲击分析,以筏架上、下面板厚度为设计变量,分析了面板厚度变化对结构刚度及强度水平的影响,且在保证足够刚度和强度水平的前提下,浮筏减重可达15.4%。本文的研究可为新型桁架箱体浮筏的结构轻量化设计奠定基础。     

水流作用下悬浮隧道耦合动力数值模拟分析

安装在深水区的悬浮隧道在水流作用下会产生交替脱落的漩涡,从而使得悬浮隧道受到周期性的力,进一步导致悬浮隧道产生涡激振动。当涡脱落频率与悬浮隧道固有频率相接近时会发生锁定现象,进而导致悬浮隧道发生振幅较大的运动,类似于结构的共振状态。文章利用有限元数值方法求解不可压缩粘性流体雷诺平均Navier-Stokes方程,并结合任意拉格朗日-欧拉(ALE)动网格方法,对不同雷诺数下(Re=1 000～100 000)悬浮隧道的涡激振动问题进行了数值模拟研究。计算中悬浮隧道受到弹簧和阻尼的约束,并允许其仅发生横流向的运动,研究了不同结构自振频率下悬浮隧道的受力和运动情况以及不同浮重比情况下悬浮隧道的受力和运动的结果。结果表明,在计算的各雷诺数下,悬浮隧道发生锁定的频率基本一致,但是悬浮隧道不同浮重比对锁定区间存在影响作用。     

一种基于离散模块的浮体水弹性响应预报方法

文章基于传统的多体水动力学和有限元方法,将连续的浮体离散为由有限个弹性梁元连接的刚体子模块,各个模块不仅受到相邻模块的水动力的干扰,同时还受到为保证结构连续性而引入的等效连接梁的作用,从而建立了一种新的可以用于求解浮体水弹性响应的数值方法。采用文中的数值计算方法,对一个箱形的超大型浮体的水弹性响应进行了研究。并通过与传统的水弹性方法计算结果的对比,证明了文中的方法的正确性和可靠性。该文的数值计算方法可为以后非均匀海洋环境下浮式结构物的水弹性响应计算提供依据。     

FDPSO总强度分析技术

针对浮式生产储卸油装置(FPSO)的扩展船型——配有钻井模块以及月池结构的浮式钻井生产储卸油装置(FDPSO)的总强度设计问题,讨论全船有限元分析方法的实现。探讨月池区域结构应如何在全船分析中进行考虑,并结合舱段有限元手段,进一步研究月池区域结构的强度分析方法。研究工程项目如何结合全船有限元分析方法进行合理化设计。     

基于有限元动力计算的浮筏隔振系统功率流研究

结构在中、低频段的振动功率流计算大多采用导纳法,而复杂结构的导纳采用解析方法不易求得.给出了基于结构有限元动响应分析的振动功率流计算方法,采用该方法推导了一典型浮筏隔振系统的传递功率流表达式,编程计算对比了2种隔振方案(橡胶方案、气囊方案)的传递功率流和隔振效果.该方法对此类复杂浮筏隔振系统的设计有一定的指导作用.     

浮动舱室设计对船舶机舱舱室振声性能的影响

以某航海教学实习船机舱为原型,建立机舱三舱段有限元模型,确定振动预报模型边界条件,选择发电柴油机组悬着位置作为力激励点,采用有限元/边界元法预测了机舱集控室和机修间声功率级,对比分析该两舷侧对称舱室场点声压级云图。计算各壁板对值班轮机员右耳位置声压的贡献度,验证以浮动地板为基础的浮动舱室设计可以有效降低舱室噪声。将此振动-声辐射耦合系统简化为箱形多腔结构,建立多腔结构及其单元腔室有限元模型,进行船舶机舱模型振动-声辐射实验,仿真结果与实验测量结果吻合较好,验证仿真方法的有效性。总结出船舶机舱舱段模型振声数值预报通用方法及流程,对指导船舶减振降噪有借鉴价值。     

水下加肋双层圆柱壳体的振—声传递路径分析

简要介绍了有限元声振耦合和结构振-声传递路径分析(TPA)的基本理论。基于CAE技术建立了TPA模型,通过ANSYS声振耦合的谐响应分析,获得水下双层圆柱壳体振动响应和声场中的声压响应,利用矩阵条件数曲线优选测点位置,并结合奇异值修正的方法改善频响函数矩阵病态问题,求得振源的耦合激励力和振—声频响函数。由自编TPA程序计算得到两个振源作用下目标点的合成噪声响应与ANSYS实际计算吻合很好。利用频谱贡献云图、矢量叠加图及数据对比的方式分析了传递路径对壳外目标点噪声的贡献,从传递路径的角度找出了对壳外噪声起主导作用的环节。可见,基于CAE方法的水下双层圆柱壳体结构振-声TPA方法具有精度高、易操作、成本低等优点,对潜艇的优化设计、运行管理、针对性的维修均具有十分重要的意义。     

多浮体耦合的长大过江弯管系统沉放过程动力响应数值仿真分析

过江管道在沉放过程中的动力响应直接影响管道的水下定位、沉放安全性及稳定性等,研究沉放过程中过江管道沉放过程水动力行为具有重要工程价值,可以降低施工风险、提高工程安全可靠性。以南宁市邕江过江管道工程水上施工过程为研究背景,对长大弯曲型管道沉放过程中多个浮体之间的复杂耦合作用、整体沉放系统复杂的动力特性进行了研究。研究应用非线性时域动力分析方法、莫里森水动力理论、水动力多体耦合理论、长大弯管理论等,借助OrcaFlex软件,建立了考虑多体耦合的长大弯曲型过江管道沉放过程水动力数值仿真分析模型。基于数值仿真模型,运用全耦合方法,进行系统时域仿真计算分析,获取了计算工况下沉管过程管道的动力响应和锚索及吊缆的受力时域图像。对影响沉放过程动力表现的关键施工变量,如气囊放气和管道下放的配合、气囊放气时间、吊缆预张力等进行了参数敏感性分析,根据数值模拟结果提出了施工安全性控制技术及施工建议。     

浮式平台干拖式运输特性的数值模拟研究

文章针对浮式平台的海上干拖式运输方案进行波浪中的运动响应及加速度分析,基于势流理论对浮式平台干拖式运输方案进行了数值分析,针对不同的海况,研究了干拖式运输状态下的运动响应规律,并针对运输绑扎固定系统的特性开展了研究,可为平台与运输船之间的绑扎设计提供依据,为实际工程中运输方案的设计与优化提供分析基础。     

Numerical analysis of the high skew propeller of an underwater vehicle

A numerical analysis based on the boundary element method (BEM) was presented for the hydrodynamic performance of a high skew propeller (HSP) which is employed by an underwater vehicle (UV). Since UVs operate at two different working conditions (surface and submerged conditions), the design of such a propeller is a cumbersome task. This is primarily due to the fact that the resistance forces as well as the vessel efficiency under these conditions are significantly different. Therefore, some factors are necessary for the design of the optimum propeller to utilize the power at the mentioned conditions. The design objectives of the optimum propeller are to obtain the highest possible thrust, minimum torque, and efficiency. In the current study, a 5-bladed HSP was chosen for running the UV. This propeller operated at the stern of the UV hull where the inflow velocity to the propeller was non-uniform. Some parameters of the propeller were predicted based on the UV geometrical hull and operating conditions. The computed results include the pressure distribution and the hydrodynamic characteristics of the HSP in open water conditions, and comparison of these results with those of the experimental data indicates good agreement. The propeller efficiency for both submerged and surface conditions was found to be 67% and 64%, respectively, which compared to conventional propellers is a significantly higher efficiency.